In der Endoprothetik und Dentalchirurgie wird seit mehr als 40 Jahren Knochenzement auf PMMA-Basis erfolgreich eingesetzt. Der Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA) wurde bereits 1902 durch den Chemiker Otto Röhm entwickelt und ist seither als Plexiglas bekannt. Die ausgezeichnete Biokompatibilität wurde indirekt im zweiten Weltkrieg festgestellt. Die Kuppeln vieler Flugzeuge wurden aus PMMA hergestellt, da es wesentlich einfacher zu formen war als Glas. Bei abgestürzten Piloten, die überlebt hatten, fand man bei Operationen noch Jahre später Plexiglassplitter, die sich zwar durch die Haut gebohrt hatten, aber keinerlei Abstoßungsreaktionen hervorriefen und somit eine grundsätzlich humane Akzeptanz bewiesen war. Knochenzemente für die Vertebroplastie auf PMMA-Basis bestehen aus zwei Komponenten: Das pulverförmige Polymer besteht zu 60-70% aus Polymethylmethacrylat, 0,4-0,6% Initiator (Benzoylperoxid), 25-45% Röntgenkontrastmittel (Bariumsulfat oder Zirkondioxid) und zusätzlichen Bestandteilen wie Farbstoffen, Weichmachern, Kalziumphosphatverbindungen (Hydroxylapatit) oder Antibiotika. Das flüssige Monomer setzt sich aus 90-97% Methacrylat (MMA), 0,2-2,5% Aktivator und Zusatzstoffen wie Farbstoffen, Inhibitoren und Stabilisatoren zusammen. (Die Volumenangaben entsprechen den Mengen bezogen auf die einzelnen Komponenten und nicht auf fertig gemischten Zement. Je nach Hersteller können Zusammensetzung, Mengenverhältnisse und insbesondere die Zusatzstoffe erheblich variieren.)

Beim Vermischen beider Komponenten wird durch den Initiator eine Redoxreaktion ausgelöst, die freie Radikale erzeugt. Diese Radikale ermöglichen die Bindung des MMA an das pulverförmige PMMA und lösen so die Bildung extrem langkettiger Polymere aus. Zusatzstoffe wie Inhibitoren dienen zur zeitlichen Steuerung des Polymerisationsprozesses, Weichmacher, um das Implantat in Grenzen elastisch zu halten. Während der Aushärtung wird eine Reaktionswärme von 57 kJ/mol freigesetzt, die eine Temperaturerhöhung an der Grenzschicht zwischen Implantat und Spongiosa auf 40-46°C bewirkt. Als Folge dieser primären Schädigung kann es in der Orthopädie zu Lockerungen und folglich Entzündungen kommen, bei der Vertebroplastie jedoch wird der Wärme eine schmerzlindernde Wirkung zugesprochen. Weiterhin kommt es im Verlauf der Reaktion zu einem Polymerisationsschwund, der, je nach Zellporosität, etwa 6-7 Vol.% beträgt und deshalb bei handgemischten Zementen geringer ist als bei vakuumgemischten. Gründe für die Volumenabnahme sind einmal die physikalische Schrumpfung beim Abkühlen des Zements aber auch 2-6% freiwerdende Monomergase, die nicht in die Reaktion eingebunden werden. Da diese Gase zelltoxisch sind, geht man davon aus, dass dadurch nozizeptive Nervenenden im Periost geschädigt werden und ebenfalls zur Schmerzreduktion beitragen. Tierexperimentelle Studien zeigten, dass die zur Röntgenopazität eingesetzten Substanzen eine osteolytische Wirkung auf den Knochen besitzen, wobei der Effekt zwar beim Bariumsulfat etwas deutlicher zu verzeichnen ist als beim Zirkondioxid, aber auf Grund der geringen aktiven Oberfläche auch bei Osteoporose keinen negativen Einfluss hat. Zum einen kann diese Veränderung durch Verringern der Anteile im Pulver erreicht werden, was aber auch den Röntgenkontrast verschlechtert. Eine Alternative wäre die Beigabe von Hydroxylapatit (HA), eine knochenähnliche Kalziumphosphatverbindung, das nicht nur die Osteoinduktivität des Implantats verbessert und damit das Entzündungsrisiko hemmt, sondern ebenfalls röntgenopak ist. HA muss aufwändig synthetisiert werden, weshalb der Rohstoff sehr teuer ist und sich nicht durchgesetzt hat.

Eine ganze Reihe von Neuentwicklungen versucht, alternative Zemente zu etablieren, die den speziellen Anwendungen gerechter werden. Für die Behandlung jüngerer Patienten sollte auch ein vollständig resorbierbares Implantat zur Verfügung stehen, das auf bspw. keramischen Weg den Knochenwiederaufbau fördert. Bei osteoporotischen Patienten wird oft ein Zusammenhang zwischen dem wesentlich festeren Zementimplantat nach einer Vertebroplastie und möglichen Folgefrakturen an angrenzenden Wirbeln gesprochen. Hierfür wäre ein Zement sinnvoll, der einerseits stabil genug ist, die Mikrobewegungen des Knochens dauerhaft zu unterbinden und andererseits hinsichtlich der Biege- und Torsionsmomente dem natürlichen Knochen ähnlicher zu sein. Alle Entwicklungen stoßen derzeit an ihre Grenzen, da sie den mechanischen Eigenschaften der ISO 5833 für PMMA-basierte Knochenzemente genügen müssen.